MX2013000505A - Biomasa de procesamiento. - Google Patents

Abstract

La biomasa (por ejemplo, biomasa de planta, biomasa de animal, y biomasa de desperdicios municipales) se procesa para producir intermediarios útiles y productos, como energía, combustibles, alimentos o materiales. Por ejemplo, los métodos se describen que pueden utilizar materias primas, como materiales celulósicos y/o lignocelulósicos, para producir un intermediario o producto, por ejemplo, mediante fermentación.

Description

BIOMASA DE PROCESAMIENTO Solicitudes relacionadas Esta solicitud reivindica prioridad a la Solicitud. Provisional de E.U. N° de serie 6.1/365, 493, presentada el 19 de julio de 2010. La descripción completa de esta solicitud provisional se incorpora en el presente por referencia.

Antecedentes Los materiales celulósicos y lignocelulósicos son producidos, procesados y usados en grandes cantidades en una serie de aplicaciones. A menudo, estos materiales se utilizan una vez y luego se desechan como residuos, o simplemente se considera que son materiales de desecho, por ejemplo, las aguas residuales, el bagazo, aserrín y rastrojo .

Varios materiales celulósicos y lignocelulósicos, sus usos y aplicaciones se han descrito en la patente de E.U. Nos. 7,074,918, 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105, y en las solicitudes de patentes distintas, incluidos los "MATERIALES Y COMPUESTOS FIBROSOS", PCT/US2006/010648 , presentadas el 23 de marzo de 2006, y "MATERIALES FIBROSOS Y COMPUESTOS," Solicitud de Patente de E.U. Publicación No. 2007/0045456.

Breve Descripción En general, esta invención se refiere a bio-procesamiento de materiales que contienen carbono, tales como hidratos de carbono que contienen materiales (por ejemplo, materiales de biomasa, materiales derivados de la biomasa o de quitina) , en particular materiales celulósicos y lignocelulósicos, y materiales que contienen carbohidratos sacarificados. Las técnicas de bio-procesamiento descrito en el presente incluyen la combinación de los materiales que contienen carbohidratos con un microorganismo que utiliza el material que contiene carbohidrato, o su derivado sacarificado, para producir un producto o intermedio. Este proceso se realiza generalmente en un medio fluido, y, en algunas implementaciones comprende la fermentación.

Un recurso de biomasa típica contiene celulosa, hemicelulosa y lignina, más cantidades menores de proteínas, extraíbles y minerales. Los hidratos de carbono complejos contenidos en las fracciones de celulosa y hemicelulosa se pueden procesar en azúcares fermentables , que luego pueden ser convertidos por el bioprocesamiento en una variedad de productos, tales como alcoholes o ácidos orgánicos. El producto obtenido depende del microorganismo utilizado y las condiciones en que se produce la biotransformación .

A diferencia de las materias primas tradicionales de fermentación tales como el maíz, uvas, y materiales similares, celulósico y lignocelulósico contienen generalmente relativamente bajo a niveles insignificantes de nutrientes. Esto es particularmente cierto de las materias primas que han sido procesadas, por ejemplo, por reducción a pasta, por ejemplo, papel viejo y de pasta de papel de residuos. Como resultado, cuando se utilizan materias primas de fermentación generalmente procede lentamente (en su caso) , y puede ser difícil de obtener altas concentraciones de etanol . Aunque los paquetes de nutrientes disponibles comercialmente, tales como peptona o base nitrogenada de levadura, se puede añadir al medio de fermentación, tales materiales son generalmente caros, lo que afecta a la viabilidad económica de los procesos de fermentación a gran escala.

Los inventores han encontrado que mediante la adición de determinados nutrientes al medio de bioprocesamiento para alimentar a los microorganismos, la eficiencia del bioproceso puede mejorarse significativamente y el coste se puede reducir significativamente. Los nutrientes incluyen un producto alimenticio, por ejemplo, un cereal o vegetal, a un residuo de un producto alimenticio, por ejemplo, un residuo de un producto de cultivo, tales como salvado de arroz, o un residuo de un producto cárnico,, por ejemplo, las acciones, las representaciones, el caldo o extracto de carne de vaca, pollo, cerdo o similares, o mezclas de los mismos. Estos se denominan colectivamente en el presente como "basados en alimentos fuentes de nutrientes." Dado que los alimentos basados en fuentes de nutrientes se utilizan, los nutrientes pueden ser suministrados al proceso de fermentación a un costo relativamente bajo, lo que reduce el coste global de un producto producido por el proceso. La fuente de nutrientes a base de alimentos puede ser bajo contenido de azúcar, ya que el material está siendo utilizado principalmente o únicamente como una fuente de nutrientes, en lugar de como una materia prima de fermentación. Por lo tanto, se pueden usar materiales que no son valorados como una fuente de azúcar.

En algunas implementaciones , la fuente de nutrientes basado en la alimentación se suministra como parte de un paquete de nutrientes, que puede incluir uno o más ingredientes adicionales. En algunas modalidades preferidas, el paquete de nutrientes incluye además una fuente de nitrógeno, por ejemplo, urea, amoniaco, sulfato de amonio, y mezclas de los mismos.

En un aspecto, la invención presenta un método que incluye la combinación de una materia prima, que comprende un material que contiene carbono, tal como un material celulósico o lignocelulósico y/o un material celulósico o lignocelulósico sacarificado, con un microorganismo y una fuente de nutrientes a base de alimentos a formar una mezcla, el microorganismo que utiliza la materia prima para producir un producto o intermedio .

Algunas imple entaciones incluyen una. o más de las siguientes características. En algunos casos, la fuente de nutrientes a base de alimentos se selecciona del grupo que consiste en cereales, verduras, restos de cereales, residuos de verduras, restos de carne (por ejemplo, almacenadas, extracto, caldo o representaciones) , y sus mezclas. Por ejemplo, la fuente de nutrientes puede ser seleccionada del grupo que consiste en trigo, avena, cebada, soja, guisantes, legumbres, patatas, maíz, salvado de arroz, harina de maíz, salvado de trigo, residuos de productos de carne, y mezclas de los mismos.

El producto puede ser o incluir, por ejemplo, un combustible seleccionado del grupo que consiste en hidrógeno, alcoholes, ácidos orgánicos, hidrocarburos, y sus mezclas. Por ejemplo, el producto puede comprender un alcohol seleccionado del grupo que consiste en metanol, etanol, propanol, isopropanol, n-butanol, etilenglicol , propilenglicol, 1, 4-butanodiol, glicerina, y mezclas de los mismos. En algunos casos, el producto puede ser un ácido orgánico seleccionado del grupo que consiste en ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico, ácido valérico, ácido caproico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, ácido malónico, ácido succínico, glutárico , ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido láctico, ácido ?-hidroxibutírico y sus mezclas. Los hidrocarburos incluyen, por ejemplo, metano, eta.no, propano, isobutano, pentano, n-hexano, y mezclas de los mismos. Otros productos e intermediarios también se pueden producir .

El paso de la utilización puede incluir, por ejemplo, de sacarificación y/o fermentación. En algunos casos, la etapa de utilización incluye la sacarificación y fermentación simultáneas (SSF) . El microorganismo puede incluir, por ejemplo, una levadura y/o una enzima, tal como cualquiera de los descritos en detalle en el presente. En algunos casos, la sacarificación se puede realizar a un pH de aproximadamente 3.8 a 4.2 y la fermentación puede llevarse a cabo a un pH de aproximadamente 4.8 a 5.2, y el método puede incluir el ajuste del pH entre sacarificación y la fermentación. La mezcla puede, en algunos casos, incluir una fuente de nitrógeno, que puede ser parte de un paquete de nutrientes o puede ser añadido por separado. La fuente de nitrógeno puede ser, por ejemplo, seleccionado del grupo que consiste de urea, amoníaco, sulfato de amonio, y mezclas de los mismos.

En algunas modalidades preferidas, la mezcla comprende además un sistema de enzima seleccionado para liberar nutrientes, por ejemplo, nitrógeno, aminoácidos, y las grasas, a partir de la fuente de nutrientes a base de alimentos. Por ejemplo, el sistema de la enzima puede incluir una o más enzimas seleccionadas del grupo que consiste en amilasas, proteasas, y sus mezclas. En algunos casos, el sistema enzimático comprende una proteasa y una amilasa .

A menos que se defina de otra manera, todos los términos técnicos y científicos aquí usados tienen el mismo significado que el que se entiende comúnmente por una persona con conocimientos ordinarios en la materia a la que pertenece esta invención. Aunque métodos y materiales similares o equivalentes a los aquí descritos se pueden usar en la práctica o prueba de la presente invención, los métodos y materiales adecuados se describen más adelante. Todas las publicaciones, solicitudes de patente, patentes, y otras referencias aquí mencionadas se incorporan mediante referencia en su totalidad. En caso de conflicto, la presente descripción, incluyendo las definiciones, controlarán. Además, los métodos, materiales y ejemplos son únicamente ilustrativos y no pretenden ser limitativos.

Otras características y ventajas de la invención serán aparentes de la siguiente descripción detallada, y de las reivindicaciones.

Descripción de los dibujos La figura 1 es un diagrama de flujo qué ilustra la conversión de una materia prima para etanol mediante la producción de una solución de glucosa.

La figura 2 es un diagrama esquemático de una planta de etanol.

La figura 3 es un diagrama que ilustra la hidrólisis enzimática de la celulosa en glucosa.

Descripción detallada Usando los métodos y los paquetes de nutrientes se describe en el presente, los materiales que contienen carbono, tales como los materiales celulósicos y lignocelulósicos y sus derivados sacarificados pueden bio-procesarse, por ejemplo, mediante fermentación, para producir intermediarios útiles y productos tales como los descritos en el presente.

Los inventores han encontrado que mediante la adición de niveles bajos de un producto alimenticio y/o un residuo de comida a la carga de fermentación, la fermentación eficiente se puede conseguir, dando lugar a concentraciones relativamente altas de etanol, por ejemplo, hasta 10%, 15%, 20% , 25%, o incluso hasta 30% o más. En algunos casos, las concentraciones pueden ser, por ejemplo, de aproximadamente 0.1 a 80 g/L, por ejemplo, de aproximadamente 0.1 a 40 g/L, de aproximadamente 0.5 a 20 g/L, de aproximadamente 1 a 10 g/L o en algunas implementaciones de aproximadamente 1 a 5 g/L. La concentración utilizada variará dependiendo del perfil de nutrientes del material utilizado (s) .

Las fuentes de nutrientes adecuadas basadas en los alimentos son los cereales, por ejemplo, trigo, avena y cebada y verduras, por ejemplo, soja, guisantes, legumbres, patatas y maíz, y los residuos de estos materiales, por ejemplo, salvado de arroz, harina de maíz y trigo salvado. Estos representan sólo algunos ejemplos de los muchos cereales y vegetales que pueden ser utilizados. Como se discµtió anteriormente, además o alternativamente, la fuente de nutrientes a base de alimentos puede incluir residuos de carne, tales como el caldo, consomé, extracto o representaciones de carne de vaca, pollo, cerdo, u otras carnes . La fuente de nutrientes a base de alimentos puede incluir mezclas de dos o más cereales y/o vegetales y/o residuos de carne. De manera favorable, dichos materiales son generalmente de bajo costo. En algunos casos, se utilizan materiales que se considera de otra manera de desecho, por ejemplo, productos alimenticios o residuos que de otro modo tendrían que ser vertidos.

Además de la fuente de nutrientes a base de alimentos, paquetes preferidos nutrientes contienen una fuente de nitrógeno. Fuentes de nitrógeno adecuadas incluyen, por ejemplo, urea, amoníaco, sulfato de amonio, y mezclas de los mismos. En algunas implementaciones, la fuente de nitrógeno se añade en una concentración de aproximadamente 1-10, preferiblemente 2-8 o 3-6 g/L basado en el volumen del medio líquido.

Otros compuestos que pueden estar incluidos en el paquete de nutrientes incluyen fosfatos, que son usados por el microorganismo para la replicacion.

En modalidades preferidas, el paquete de nutrientes se utiliza con una combinación particular de enzimas que incluye una o más enzimas seleccionadas para sacarificar en el material celulósico o lignocelulósico, y una o más enzimas seleccionadas a los nutrientes de liberación (por ejemplo, nitrógeno, aminoácidos y grasas) a partir de la fuente de nutrientes a base de alimentos. En algunos casos, la combinación de enzimas incluye una amilasa, para descomponer el almidón en la fuente de nutrientes, y una proteasa, para hidrolizar proteína y producir péptidos a partir de la fuente de nutrientes. Las combinaciones preferidas de enzimas se discutirá en detalle más adelante.

Los procesos en. los que las fuentes de nutrientes a base de alimentos o paquetes de nutrientes que se pueden utilizar se comentarán en lo sucesivo.

Conversión de materiales celulósicos y lignocelulósicos a alcoholes Haciendo referencia a la figura 1, un proceso para la fabricación de un alcohol, por ejemplo etanol, puede incluir, por ejemplo, opcionalmente de manera mecánica el tratamiento de la materia prima (paso 110) , antes y/o después de este tratamiento, tratar opcionalmente la materia prima con otro tratamiento físico, por ejemplo la irradiación ( por ejemplo, irradiación de haz de electrones) , para reducir aún más su empeño recalcitrante (paso 112) , sacarificación de la materia prima para formar una solución de azúcar (paso 114) , opcionalmente transportar, por ejemplo, por tubería, vagón de ferrocarril, camión o barcaza, la solución (o la materia prima , enzima y agua, si la sacarificación se lleva a cabo en ruta) a una planta de producción (paso 116) y, a continuación bio-procesamiento de la materia prima tratada para producir un producto deseado (paso 118), que luego se procesa adicionalmente, por ejemplo, por destilación (paso 120) . Si se desea, el contenido de lignina puede ser medida (paso 122) y parámetros de proceso se puede configurar o ajusfar basándose en esta medición (paso 124), co o se describe en Número de solicitud provisional de E.U. 61/151,724, presentada el 11 de febrero de 2009, la descripción completa de los cuales se incorpora en el presente por referencia.

La fuente de nutrientes a base de alimentos o un paquete de nutriente está presente durante bio-procesamiento (paso 118) , por ejemplo, la fermentación, y puede en algunas implementaciones preferidas también estar presente durante la etapa de sacarificación (paso 114) . En algunas implementaciones, la fuente de nutrientes a base de alimentos o nutrientes de paquete se añade al comienzo de la etapa 114, junto con una combinación de enzimas adecuadas para la sacarificación, fermentación, y la liberación de los nutrientes de la fuente de nutrientes a base de alimentos. La sacarificación se realiza en un primer conjunto de condiciones de proceso (por ejemplo, temperatura y pH) , y luego, cuando sacarificación ha procedido a la medida deseada las condiciones de proceso se ajustan (por ejemplo, mediante el ajuste de pH de 4 a 5) para permitir la fermentación a una.

La planta de fabricación utilizado en los pasos 118 a 120 (y en algunos casos la totalidad de los pasos descritos anteriormente) puede ser, por ejemplo, un existente etanol a base de almidón o azúcar-base o una. planta que ha sido modificado mediante la eliminación o desmantelamiento del equipo aguas arriba del sistema de bio-procesamiento (que en una planta de etanol típico incluye generalmente equipos cereal de recepción, un molino de martillos, un mezclador de suspensión, equipos de cocina y equipo de licuefacción) . En algunos casos, la materia prima recibida por la planta se puede introducir directamente en el equipo de fermentación. Una planta reequipar se muestra esquemáticamente en la figura 2.

Los pasos 110 a 112 se describen, por ejemplo, en E.U. N ° de serie 12/429, 045, presentada el 23 de abril 2009, la descripción completa de la cual se incorpora en el presente por referencia. Los pasos 114, 118 y 120 (sacarificación, fermentación y destilación) , que se refieren a la producción de alcohol por bio-procesamiento, ahora se tratarán en lo sucesivo.

Sacarificación Con el fin de convertir la materia prima en azúcares fermentables , la celulosa de la materia prima se hidroliza por un agente sacarificante, por ejemplo, una enzima, un proceso conocido como sacarificación. Los materiales que incluyen la celulosa se trata con la enzima, por ejemplo, combinando el material y la enzima en un disolvente por ejemplo, en una. solución acuosa.

Las enzimas y organismos de destrucción de biomasa que descomponen la biomasa, tales como la celulosa, y/o las porciones de lignina de la biomasa, contienen o fabrican diversos enzimas celulolíticas (celulasas) , ligninasas o diversos metabolitos de destrucción, de biomasa. de pequeñas moléculas.. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan sinérgicamente para degradar la celulosa cristalina o las porciones de lignina de la biomasa. Los ejemplos de enzimas celulolíticas incluyen: endoglucanasas, celobiohidrolasas y cellobiases (ß-glucosidasas ) . Haciendo referencia a la figura 3, un sustrato celulósico es inicialmente hidrolizado por endoglucanasas en lugares al azar que producen intermediarios oligoméricos . Estos intermediarios son sustratos para luego dividir exo-glucanasas tales como celobiohidrolasa para producir celobiosa de las extremidades del polímero de celulosa. La celobiosa es un soluble en agua 1,4-dímero unido de glucosa. Finalmente, celobiasa escinde la celobiosa para producir glucosa.

Los agentes de sacarificación están descritos, por ejemplo, en la sección de Materiales a contimaación .

Como se señaló anteriormente, la · fuente de nutrientes a base de alimentos o nutrientes paquete se añade preferiblemente antes o durante la sacarificación, y una enzima, se añade que se selecciona para liberar nutrientes de la fuente de nutrientes a base de alimentos. Las enzimas adecuadas se describen, por ejemplo, en la sección de Materiales a continuación.

El proceso de sacarificación puede ser parcial o totalmente a cabo en un tanque (por ejemplo, un depósito que tiene un volumen de al menos 4000, 40,000, 400,000, o 1, 000, 000 L) en una planta de fabricación, y/o puede ser parcialmente o completamente realizado en tránsito, por ejemplo, en un vagón de ferrocarril, camión cisterna, o en un superpetrolero o la bodega de un barco. El tiempo requerido para la sacarificación completa dependerá de las condiciones del proceso y la materia prima y la enzima utilizada. Si la sacarificación se lleva a cabo en una planta de fabricación en condiciones controladas, la celulosa puede convertirse de forma sustancialmente completa en glucosa en aproximadamente 12-96 horas. Si la sacarificación se realiza parcialmente o completamente en tránsito, la sacarificación puede tardar más.

En general se prefiere que el contenido del tanque se mezclan durante la sácarificación, por ejemplo, mediante chorro de mezcla como se describe en la solicitud de E.U. provisional No. 61/218,832, cuya descripción completa se incorpora en el presente por referencia.

La adición de tensioactivos puede mejorar la tasa de sacarificación. Los ejemplos de tensioactivos incluyen tensioactivos no iónicos, tales como una Tween® 20 o T een® 80 tensioactivos de polietilenglicol, tensioactivos iónicos, o tensioactivos anfóteros.

En general se prefiere que la concentración de la solución de glucosa resultante será relativamente alta, por ejemplo, mayor que 40%, o mayor que 50, 60, 70, 80 90, o incluso mayor que 95% en peso. Esto reduce el volumen a ser enviado, si sacarificación y la fermentación se llevan a cabo en diferentes lugares, y también inhibe el crecimiento microbiano en la solución. Sin embargo, las concentraciones más bajas se puede usar, en cuyo caso puede ser deseable añadir un aditivo antimicrobiano, por ejemplo, un antibiótico de amplio espectro, en una concentración baja, por ejemplo, de 50 a 150 ppm. Otros antibióticos adecuados incluyen anfotericina B, ampicilina, cloramfenicol, ciprofloxacino, gentamicina, higromicina B, kanamicina, neomicina, penicilina, puromicina, estreptomicina. Los antibióticos inhiben el crecimiento de microorganismos durante el transporte y el almacenamiento, y se puede utilizar en concentraciones apropiadas, por ejemplo, entre 15 y 1000 ppm en peso, por ejemplo, entre 25 y 500 ppm, o entre 50 y 150 ppm. Si se desea, un antibiótico puede incluirse incluso si la concentración de azúcar es relativamente alta.

Una solución de concentración relativamente alta se puede conseguir mediante la limitación de la cantidad de agua añadida a la materia prima con la enzima. La concentración se puede controlar, por ejemplo, mediante el control de la cantidad de sacarificación se lleva a cabo. Por ejemplo, la concentración se puede aumentar mediante la adición de más materia prima a la solución. Con el. fin de mantener el azúcar que se produce en solución, un agente tensioactivo puede ser añadido, por ejemplo, uno de los discutidos anteriormente. La solubilidad también se puede aumentar mediante el aumento de la temperatura de la solución. Por ejemplo, la solución se puede mantener a una temperatura de 40-50°C, 60-80°C, o incluso superior.

En algunas modalidades, la materia prima se procesa para convertirla en un material sólido y se concentra convenientemente, por ejemplo, en una forma granulada en polvo, o en partículas. El material concentrado puede estar de manera purificada o en bruto o crudo. La forma concentrada puede tener, por ejemplo, una concentración de azúcar total de entre aproximadamente 90 por ciento en peso y aproximadamente 100 por ciento en peso, por ejemplo, 92, 94, 96 o 98 por ciento en peso de azúcar. Tal forma puede ser especialmente rentable para su entrega, por ejemplo, a una instalación de procesamiento biológico, tal como una planta de fabricación de biocom.bustib.le. Tal forma puede ser también ventajosa para almacenar y manipular, fácil de fabricar y se convierte tanto en un intermediario y un producto, que proporciona, una opción a la bio-refineria como para que los productos se fabriquen.

En algunos casos, el material en polvo, granulado o en partículas también puede incluir uno o más de los materiales, por ejemplo, aditivos o productos químicos, que se describen en el presente, tales como el paquete basado en la alimentación nutriente o nutrientes, una fuente de nitrógeno, por ejemplo, urea, un tensioactivo, una enzima, o cualquier microorganismo descrito en el presente. En algunos casos, todos los materiales necesarios para un bio-proceso se combinan en el material en polvo, granulado o en partículas. Tal forma puede ser una forma particularmente conveniente para el transporte a una instalación de bioprocesamiento remoto, tal como una planta de fabricación de biocombustibles remoto. Tal forma puede ser también ventajosa para almacenar y manejar.

En algunos casos, el material en polvo, granulado o en partículas (con o sin materiales añadidos, tales como aditivos y productos químicos) se pueden tratar por cualquiera de los tratamientos físicos descritos en la de É.ü. No. de serie 12/429, 045, incorporada por referencia anteriormente. Por ejemplo, la irradiación del material en polvo, granulado o en partículas puede aumentar su solubilidad y puede esterilizar el material de modo que una instalación de procesamiento biológico puede integrar el material en su proceso directamente co o puede ser necesario para un intermedio o producto contemplado.

En ciertos casos, el material en polvo, granulado o en partículas (con o sin materiales añadidos, tales como aditivos y productos químicos) se puede llevar en una estructura o un portador para facilitar el transporte, el almacenamiento o la manipulación. · Por ejemplo, la estructura de portador puede incluir o incorporar una bolsa o revestimiento, tal como una bolsa degradable o revestimiento. Tal forma puede ser especialmente útil para añadir directamente a un sistema de bio-procesos .

Fermentación Los microorganismos pueden producir un número de intermediarios y productos útiles al fermentar un azúcar de bajo peso molecular producida por la sacarificación de los materiales de la biomasa tratados. Por ejemplo, la fermentación u otros procesos biológicos pueden producir alcoholes, ácidos orgánicos, hidrocarburos, hidrógeno, proteínas o mezclas de cualquiera de estos materiales.

La levadura y la bacteria de Zymomonas , por ejemplo, se pueden usar para la fermentación o la conversión. Otros microorganismos se discuten en la sección de Materiales más adelante. El pH óptimo para la levadura es desde alrededor de pH 4 a 5, mientras que el pH óptimo para Zymomonas es de alrededor de pH 5 a 6. Los tiempos típicos de fermentación son de alrededor de 24 a 96 horas con temperaturas en el rango de 26°C a 40°C, sin embargo, los microorganismos termofílicos prefieren temperaturas más altas.

En algunas modalidades, la totalidad o una parte del proceso de fermentación se pueden interrumpir antes de que el azúcar de bajo peso molecular se transforme completamente en etanol. Los productos de fermentación intermediarios incluyen altas concentraciones de azúcar y carbohidratos. Estos productos intermedios de fermentación se pueden utilizar en la preparación de alimentos para el consumo humano o animal. Adicionalmente o alternativamente, los productos de fermentación intermediarios pueden ser molidos a un tamaño de partícula fino en un molino de laboratorio de acero inoxidable para producir una sustancia tipo harina.

Los fermentadores móviles se pueden usar, como se describe en la Solicitud Provisional de Patente Estadounidense No. Serie 60/832,732, ahora la Solicitud Internacional Publicada No. WO 2008/011598. De manera similar, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o la fermentación, se pueden llevar a cabo en parte o totalmente durante el tránsito.

Destilación Después de la fermentación, los fluidos resultantes pueden ser destilados usando, por ejemplo, una "columna de alcohol" para separar el etanol y otros alcoholes de la mayoría del agua y sólidos residuales. El vapor que sale de la columna de alcohol puede ser, ej . , 35% por peso de etanol y puede ser alimentada a una columna de rectificación. Una mezcla de etanol casi azeotrópico (92.5%) y agua de la columna de rectificación se puede purificar a etanol puro (99.5%) usando tamices moleculares de fase de vapor. Los fondos de la columna de alcohol se pueden enviar al primer efecto de un evaporador de tres efectos. Después del primer efecto, los sólidos se pueden separar usando una centrífuga y secados en una secadora giratoria. Una porción (25%) del efluente de la centrífuga puede ser reciclada para fermentación, y el resto enviado al segundo y tercer efecto del evaporador. La mayoría del condensado de vapor puede ser devuelto al proceso como condensado bastante limpio con una pequeña porción separada para el tratamiento del agua residual para evitar el crecimiento de compuestos con bajo punto de ebullición.

Intermediaros y productos Los procesos y nutrientes discutidos en el presente se pueden utilizar para convertir los carbohidratos que contienen los materiales, por ejemplo, materiales celulósicos o lignocelulósicos, para uno o más productos, tales como energía, combustibles, alimentos y materiales. Los ejemplos específicos de productos incluyen, pero no se limitan a, hidrógeno, alcoholes (por ejemplo, alcoholes monohídricos o alcoholes dihídricos, tales como etanol, n-propanol o n-butanol-) , alcoholes hidratados o hidratada, por ejemplo, que contienen más de 10%, 20%, 30% o incluso mayor que 40%> agua, azúcares, biodiesel, ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido acético y/o ácido láctico) , los hidrocarburos, los co-productos (por ejemplo, proteínas, tales como proteínas (enzimas celulolíticas) o proteínas celulares individuales) , y mezclas de cualquiera de estos en cualquier combinación o concentración relativa, y opcionalmente en combinación con cualesquiera aditivos, por ejemplo, aditivos de combustible. Otros ejemplos incluyen ácidos carboxílieos , tales como ácido acético o ácido butírico, sales de un ácido carboxílico, una mezcla de ácidos carboxílicos y sales de ácidos carboxílicos y ésteres de ácidos carboxílicos (ej . , esteres de metilo, etilo, y n-propilo) , cetonas, aldehidos, ácidos alfa, beta insaturados, tales como ácido acrilico y olefinas, tales como etileno. Otros alcoholes y derivados de alcohol incluyen propanol, propilenglicol, 1 , 4-butanediol , 1,3-propanediol, esteres de metilo o etilo de cualquiera de estos alcoholes. Otros productos incluyen metil acrilato, metil metacrilato, ácido láctico, ácido propiónico, ácido butírico, ácido succínico, ácido 3-hidroxipropiónico, una sal de cualquiera de los ácidos y una mezcla de cualquiera de los ácidos y sus sales respectivas.

Otros intermediarios y productos, incluyendo productos alimenticios y farmacéuticos, se describen en la Solicitud Provisional de Patente Estadounidense No. 12/417,900, cuya total divulgación se incorpora aquí mediante referencia.

Materiales Ingredientes de paquete nutriente Como sé comentó anteriormente, los paquetes preferidos nutrientes contienen una fuente de nutrientes a base de alimentos, una fuente de nitrógeno, y en algunos casos otros ingredientes, por ejemplo, fosfatos. Las fuentes adecuadas de nutrientes basadas en alimentos incluyen cereales y vegetales, que incluyen los comentados anteriormente y muchos otros . La fuente de nutrientes a base de alimentos puede incluir mezclas de dos o más cereales y/o verduras.

Los preferidos paquetes de nutrientes pueden incluir de aproximadamente 2 a 5% en peso del volumen de una fuente de nutrientes a base de alimentos, por ejemplo, %, en peso 3-4 volumen de la comida de salvado de arroz o de 4-5% en peso volumen de harina de maíz, aproximadamente 3 a 4 g/L de una fuente de nitrógeno, por ejemplo, aproximadamente 3.5 g/L de urea, y aproximadamente 8 a 12 g/L de un agente tensioactivo no iónico, por ejemplo, aproximadamente 10 g/L de Tween © 80 tensioactivo.

Enzimas para la liberación de nutrientes Como se comentó anteriormente, se prefiere que la sacarificación y/o mezcla de fermentación incluyan además un sistema de enzima seleccionada para liberar nutrientes, por ejemplo, nitrógeno, aminoácidos, y las grasas, a partir de la fuente de nutrientes a base de alimentos. Por ejemplo, el sistema de la enzima puede incluir una o más enzimas seleccionadas del grupo que consiste en amilasas, proteasas, y sus mezclas.

En algunos casos, el sistema enzimático comprende una proteasa y una amilasa. Un ejemplo de una proteasa adecuada es enzima proteolitica ácido FERMGEN™, disponible comercialmente en Genencor®, una división de Danisco. Esta enzima es una proteasa fúngica compuesta de 5-10% aspergilopepsina 1 en una solución acuosa de glicerol, sulfato de sodio y benzoato de sodio. Un ejemplo de una amilasa apropiada es enzima. STARGEN™, disponible comercialmente en Genencor ®, una división de Danisco. Esta enzima es una mezcla de glucoamilasa y la alfa-amilasa , que contiene Aspergillus . kawachi alfa-amilasa se expresa en Trichoderma reesei y un gluco-amilasa a partir de Trichoderma reesei.

En algunas modalidades preferidas, la amilasa y la proteasa son cada uno incluye a una concentración de aproximadamente 0.5 a 1.5% en peso basado en el peso de la fuente de nutrientes a base de alimentos añadido, por ejemplo, aproximadamente 1% en peso cada uno. Estas son concentraciones muy bajas, en comparación con las concentraciones que se requieren generalmente cuando las mismas basadas en la alimentación de materiales se utilizan como materia prima para la sacarificación y la fermentación, en lugar de como una fuente de nutrientes. Por ejemplo, las concentraciones recomendadas de enzima FERMGEN™ y enzima STARGEN™ son 26-38% p/p y 20-34%> p/p, respectivamente, cuando las enzimas se utilizan en la sacarificación y la fermentación de los granos de maíz y el etanol.

Aunque se prefiere que una combinación de proteasa y amilasa se utilizará, en algunos casos, uno o el otro puede ser usado solo, y/o enzimas se pueden utilizar otros que son capaces de liberar los nutrientes de la fuente de nutrientes a base de alimentos.

Materiales de biomasa La biomasa puede ser, ej . , un material celulósico o lignocelulósico . Dichos materiales incluyen papel y productos de papel (ej., papel policubierto y papel Kraft), madera, materiales relacionados con la madera, ej . , tablero de partículas, pastos, cáscaras de arroz, bagazo, yute, cáñamo, linaza, bambú, henequén, ábaca, paja, césped de pradera, alfalfa, heno, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, pelo de coco; y materiales altos en contenido de -celulosa, ej . , algodón. Las materias primas se pueden obtener de pedazos de materiales textiles vírgenes, ej . , restos, desperdicio del consumidor, trapos. Cuando se usan productos de papel, pueden ser materiales vírgenes, ej . , materiales de desecho vírgenes, o pueden ser desperdicio del consumidor. Junto a los materiales textiles vírgenes, desperdicio del consumidor, industrial (ej . , despojos), y de procesamiento (ej . , efluente del procesamiento del papel), también se pueden usar como fuentes de fibra. La materia prima de la biomasa puede también ser obtenida de o derivada de desperdicios humanos (ej . , aguas residuales), animales o de las plantas. Materiales celulósicos y lignocelulósicos adicionales se han descrito en las Patentes Estadounidenses Nos. 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105.

En algunas modalidades, el material de biomasa incluye un carbohidrato que es o incluye un material que tiene uno o más vínculos ß-1,4 y que tiene un peso molecular de número promedio entre alrededor de 3,000 y 50,000. Dicho carbohidrato es o incluye celulosa (I), que se deriva de (ß-glucosa) a través de la condensación de enlaces ß (1, 4) -glicosídicos . Este vínculo contrasta en sí mismo con el de los enlaces a ( 1 , 4 ) -glicosídicos presentes en el almidón y otros carbohidratos.

Agentes de sacarificación Las enzimas adecuadas incluyen cellobiases y celulasas capaces de degradar la biomasa.

Las cellobiases adecuadas incluyen una celobiasa de Aspergillus niger se vende bajo el nombre comercial NOVOZYME 188™.

Las celulasas son capaces de degradar la biomasa, y pueden ser de origen de los hongos o bacteriano. Las enzimas adecuadas incluyen celulasas del género Bacillus, Pseudomonas, Humicola , Fusarium, Thielavia , Acremonium, Chrysosporium y Trichoderma, e incluyen especies de Humicola , Coprinus , Thielavia , Fusarium, Myceliophthora , Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Pencillium o Aspergillus (ver, ej . , la Patente Europea 458162), especialmente aquellas producidas por una raza seleccionada de las especies Humicola insolens (reclasificada como Scytalidium thermophilum, ver, e . , Patente Estadounidense No. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila , Meripilus gigánteus , Thielavia terrestris, Acremonium sp, Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae , Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum y Acremonium furatum; preferentemente de las especies de Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RY -202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311.74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62, y Acremonium furatum CBS 299.70H. Las enzimas celulóticas también pueden obtenerse de Chrysosporium, preferentemente una cepa de Chrysosoporium lucknowense . Adicionalmente, Trichoderma (particularmente Trichoderma viridae , Trichoderma reesei y Trichoderma koningii) , Bacillus alcalofilico (ver, por ejemplo, la Patente Estadounidense No. 3,844,890 y la Patente Europea 458162), y Streptomyces (ver, ej . , la Patente Europea 458162), también se pueden usar .

Los complejos de enzimas se pueden utilizar, tales como los disponibles de Genencor ® bajo el nombre comercial ACCELLERASE®, por ejemplo, complejo de enzima de Accellerase© 1500. El complejo de enzima de Accellerase® 1500 contiene múltiples actividades enzimáticas, principalmente exoglucanasa, endoglucanasa (2200-2800 CMC U/g), hemi-celulasa, y beta-glucosidasa (PNPG 525-775 U/g), y tiene un pH de 4.6 a 5.0. La actividad endoglucanasa del complejo de enzima se expresa en unidades de actividad carboximetilcelulosa (CMC U) , mientras que la actividad de beta-glucosidasa se reporta en unidades de actividad pNP-glucósido (PNPG U) . Otro complejo enzima adecuada es complejo enzimático Accellerase® Duet. El complejo enzimático Accellerase® Duet también contiene múltiples actividades enzimáticas, principalmente exoglucanasa, endoglucanasa (2400-3000 CMC U/g) , hemi celulasa-(incluyendo xilanasa,> 3600 ABX U/g), y beta-glucosidasa (> 400 PNPG U/g), y tiene un pH de 4.3 a 4.6. La actividad endoglucanasa del complejo enzima se expresa en unidades de actividad carboximetilcelulosa (CMC U) , mientras que la actividad de beta-glucosidasa se reporta en unidades de actividad pNP-glucósido (pNPG U) y la actividad xilanasa se informó en ácido Birchwood Unidades de xilanasa (ABXU) . En algunas modalidades, una mezcla de Accellerase® 1500 o complejo de la enzima Accellerase ® Duet con NOVOZYME™ 188 celobiasa se utiliza.

Agentes de fermentación El (los) microorganismo (s) usado (s) en la fermentación puede (n) ser microorganismo (s) natural (es) y/o microorganismo (s) diseñado (s). Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, ej., una bacteria celulolitica, un hongo, ej . , una levadura, una planta, o un protista, ej . , alga, un protozoo o un protista tipo hongo, ej . , un moho de cieno. Cuando los organismos son compatibles, se pueden usar mezclas de organismos.

Los microorganismos de fermentación adecuados tienen la capacidad de convertir los carbohidratos, tales como glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos en productos de fermentación. Los microorganismos de fermentación incluyen razas del género Sacchro yces spp. , ej . , Sacchromyces cerevisiae (levadura del repostero) , Saccharomyces distaticus, Saccharomyces urvarum; el género Kluyveromyces, ej . , especies de Kluyveromyces marxianus, Klyuveromyces fragilis; el género Candida, ej . , Candida pseudotropicalis y Candida brassicae, Pichia stipitis (un pariente de Candida shehatae) , el género Clavispora, ej . , especies Clavispora lusitaniae y Clavispora opuntiae, el género Pachysolen, ej . , especies Pachysolen tannophilus, el género Bretannomyces, ej . , especies Bretannomyces clausenii (Philippidis, G.P., 1996, Cellullose bioconversion technology, en Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, CE., ed. Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212) .

Las levaduras comercialmente disponibles incluyen, por ejemplo, RedStar®/Lesaffre Etanol Rojo (disponible de RedStar/Lesaffre, EUA) , FALI® (disponible de Fleischmann' s Yeast, una división de Burns Philip Food, Inc., EUA), SUPERSTART® (disponible de Alltech, ahora Lalemand) , GERT STRAND® (disponible de Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL® (disponible de DSM Specialties) .

Las bacterias también se pueden usar en la fermentación, ej . , Zymomonas mobilis y Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, supra) .

Ejemplo 1 Una materia prima (denominada en el Ejemplo 2 como "XP") se produjo usando el siguiente procedimiento.

Un patín de 680.38 kg virgen blanqueada Kraft tarjeta blanca con una densidad aparente de 0.4806 gr/cm se obtuvo a partir de International Paper. El material se cortó en piezas 20.95 cm por 27.94 cm usando un cortador de guillotina y se alimenta a un Munson cuchillo cortador rotativo, Modelo SC30. La pantalla de alta tenían aberturas 0.3175 cm. El hueco entre las cuchillas rotativas y fijas fue puesto a aproximadamente 0.0508 cm. El cortador de cuchilla rotativa cortado las piezas cortadas, la liberación de un material fibroso.

Ejemplo 2 Un medio se preparó por calentamiento de 4 L de agua desionizada a 50°C y la mezcla mientras que la adición de 4% en volumen de la comida peso de salvado de arroz, 3.405 g/L de urea, y 10 g/L de Tween 80 @ tensioactivo. A continuación, se añadieron tres enzimas, en las siguientes cantidades : ACCELLERASE © enzima 0.25 mi / 1 gramo XP materia prima S ARGEN™ enzima 1% en peso de salvado FER GEN™ enzima 1% en peso de salvado.

El ACCELLERASE se añadió a las 0 horas, y las otras dos enzimas se añadieron a 3 horas.

La materia prima XP posteriormente se añadió en incrementos, la cantidad y frecuencia de la que se determinó por la consistencia de la mezcla y la velocidad de mezclado. El material se añadió durante un periodo de 27 horas, en incrementos de incrementos de 150-275 gramos. La cantidad total añadida fue 1096 gramos.

Las fluctuaciones de temperatura se monitorizaron durante la mezcla, para evitar un calentamiento más de 55 °C, la cual tiende a desnaturalizar las enzimas.

Durante todo el proceso, la mezcla se realizó a 250 rpm, utilizando un mezclador IKA ROTOTRON©. La temperatura se mantuvo a aproximadamente 50 °C, y el pH fue de aproximadamente 3.7.

Después de que el último incremento de carga de alimentación se añadió, en 27 horas, el lote se dejó continuar a sacarificar a un total de 70 horas desde el inicio del proceso. En este punto la concentración de glucosa fue 90 g/L.

La mezcla sacarificada se transfirió a un Bioflow© 115 biorreactor para la fermentación. Los parámetros se han cambiado a continuación, y la mezcla inoculada, para iniciar la fermentación. El mezclado se realiza con un impulsor Rushton a 250 rpm, con aire proporcionado a 0.025 vvm (volúmenes de gas por unidad de volumen de líquido por minuto) , y el pH se ajustó a aproximadamente 5.0. La temperatura se redujo a aproximadamente 30 °C. El control de pH se otorgó mediante IM H3PO4 (ácido control) y la mensajería instantánea NaOH (control de base) . La inoculación se basa en la proporción siguiente: 1 mg de Superstart ™ levadura a 1 g de glucosa. La levadura se añade directamente a la mezcla como un inoculo liofilizado.

Después de 20 horas de fermentación en estas condiciones, la concentración de etanol en la mezcla era aproximadamente 50 g/L, y la concentración de glucosa había disminuido a aproximadamente 0 g/L. Esto era sólo ligeramente menor que las concentraciones de etanol obtenido por fermentación de 150 g/L de glucosa y 40 g/L de xilosa en un medio que contiene 1.7 g/YNB L, 2.27 g/L de urea y 6.6 g/L peptonas de soja bajo las mismas condiciones de proceso.

Otras modalidades Un número de modalidades de la invención se han descrito. No obstante, . se entenderá que diversas modificaciones pueden hacerse sin apartarse del objeto y alcance de la invención.

Por ejemplo, mientras que se prefiere por razones de coste que los paquetes de nutrientes descritos en este documento incluyen sólo los alimentos basados en vegetales (y en particular, y/o cereal) fuentes de nutrientes, si se desea, el paquete de nutrientes pueden incluir mezclas de estas fuentes de nutrientes con otras fuentes de alimentos no basadas en alimentos o sin cereales/sin vegetales.

En consecuencia, otras modalidades están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (25)

Reivindicaciones

1. Un método que comprende: combinar un materia prima, que comprende un material celulósico o lignocelulósico y/o un material sacarificado celulósico o lignocelulósico, con un microorganismo y una fuente de nutriente basada en alimentos para formar una mezcla, el microorganismo que utiliza la materia prima para producir un producto o intermedio .

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la fuente de nutriente basada en alimentos se selecciona del grupo que consiste de ' cereal, vegetales, residuos de cereales, residuos de vegetales, residuos de productos de carne y mezclas de los mismos .

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el producto comprende un combustible seleccionado del grupo que consiste de hidrógeno, alcoholes, ácidos orgánicos, hidrocarburos y mezclas de los mismos.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, 2 o 3 donde en el uso comprende fermentación .

5. El método de conformidad con la reivindicación 4 caracterizado porque el microorganismo comprende una levadura.

6. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la fermentación se conduce en un pH de aproximadamente 4.8 a 5.2.

7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el uso comprende sacarificación .

8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el microorganismo comprende una enzima.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la enzima comprende una hemicelulosa o una celulosa.

10. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la sacarificación se conduce en un pH de aproximadamente 3.8 a 4.2.

11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la mezcla además comprende una fuente de nitrógeno.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la fuente de nitrógeno se selecciona del grupo que consiste de urea, amonio, sulfato de amonio, y mezclas de los mismos.

13. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque 1 fuente de nutriente basada en alimentos se selecciona del grupo que consiste de trigo, avena, cebada, soja, chícharos, legumbres, papas, maíz, fibra de arroz, harina de maíz, salvado de trigo, y mezclas de los mismos.

14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones en donde la mezcla además comprende un sistema de enzima seleccionado para liberar los nutrientes de la fuente de nutriente basada en alimentos.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el sistema de enzima comprende una o más enzimas seleccionadas del grupo que consiste de amilasas, proteasas, y mezclas de los mismos .

16. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el sistema de enzima comprende una proteasa y amilasa.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el sistema de enzima comprende además una hemicelulasa o celulasa.

18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la mezcla además comprende un medio.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la concentración de la fuente de nutriente basada en alimentos en el medio es de aproximadamente de 0.1 a 10 g/L.

20. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el alcohol se selecciona del grupo que consiste de metanol, etanol, propanol, isopranol, n-butaol, etilenglicol , propilenglicol, 1,4-butano diol, glicerina y mezclas de los mismos .

21. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el ácido orgánico se selecciona del grupo que consiste de ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico, ácido valético, capróico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, ácido malónico, ácido sucínico, ácido glutárico, ácido oléico, ácido linoléico, ácido glicólico, ácido Y~ hidroxibutírico y mezclas de los mismos.

22. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el hidrocarbono se selecciona del grupo que consiste de metano, etano, propano, isobuteno, pentano, n-hexano y mezclas de los mismos .

23. El método de conformidad cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el material celulósico o lignocelulósico se ha tratado para reducir su empeño recalcitrante.

24. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el material celulósico o lignocelulósico se ha tratado con radiación.

25. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la radiación comprende un haz de electrones.